Calculator cuantic personal pentru 5000$

Bine, calculatorul acesta cuantic are doi qubiţi. Este sau nu primul calculator cuantic personal?

1. Ce este un calculator cuantic?

Calculatorul cuantic este o evoluţie firească a celui clasic. Într-un procesor clasic, unitatea de memorie este un bit clasic (0 sau 1) iar procesarea este serială. Dacă, de exemplu, calculatorul clasic trebuie să afle câte pisici se află într-un set de fotografii, acesta caută, pe rând, în fiecare dintre fotografii şi adună rezultatul. Timpul de căutare este lung, fiind proporţional cu numărul de fotografii.

Calculatorul cuantic se bazează pe proprietatea de superpoziţie cuantică, naturală obiectelor microscopice. Un electron, de exemplu, se află simultan în mai multe poziţii din spaţiu. Unitatea de memorie a calculatorului cuantic este un qubit, adică un bit ce poate fi simultan atât 0 cât şi 1.

Folosind această proprietate, în exemplul precedent, un calculator cuantic va căuta simultan pisicile din toate fotografiile. Indiferent de cate fotografii analizează, calculatorul cuantic o face în același timp, nu una cate una. Și așa va rezulta un timp mai scurt, care nu depinde (în principiu) de numărul de fotografii.

Numărul de procese care pot fi calculate în paralel se calculează din numărul de qubiţi. Un calculator cuantic cu N qubiţi va calcula simultan 2 la puterea N procese. Dacă are 3 qubiţi vor fi 2^3 qubiţi, adică 8 procese. Dacă are 300 de qubiţi, numărul de procese pe care le poate calcula simultan va fi 2 la puterea 300, care este un număr mai mare decât toţi atomii din Univers!

Această putere de calcul vine şi cu câteva dezavantaje. Astfel, calculatorul cuantic poate procesa în paralel doar un singur algoritm, nu mai multe. Nu vom avea rezultatul fiecărei procesări individuale (în exemplul nostru nu putem afla ce este în fiecare poză); putem doar combina rezultatele la final şi afla răspunsul la o singură întrebare (în câte poze se află pisica), iar acest răspuns nu este sigur, ci vine cu o anumită probabilitate de a greşi.

2. Ce este cu acest calculator cuantic de 5000$?

Este cel mai mic şi mai ieftin calculator cuantic şi va apărea la sfârşitul anului. Dar este şi cel mai puţin performant: are doar doi qubiţi. Asta înseamnă că poate procesa în paralel doar patru procese. Suficient pentru a face demonstraţii în şcoli (acolo unde va fi achiziţionat) folosind algoritmul Grover de căutare în baze de date.

 Compania chineză SpinQ, care îl va produce, a mai adus pe piaţă un calculator cuantic de 50.000$, tot personal, care însă cântărea 55 Kg. De ce sunt acestea mult mai ieftine decât calculatoarele cuantice standard, de la D-Wave şi IBM, care costă zeci de milioane de euro şi au zeci, sute și chiar mii de qubiţi? Tehnologia folosită.

Astfel, calculatoarele cuantice de la D-Wave şi IBM folosesc inele supraconductoare pentru a stoca şi procesa q-biţii. Acestea trebuie răcite la temperaturi de câteva grade Kelvin cu ajutorul heliului lichid, ceea ce face ca întreg calculatorul să arate ca un dulap voluminos.

Compania SpinQ a ales să stocheze q-biţii în spinii nucleelor de atomi, o tehnologie folosită la începutul anilor ‘90 pentru calculatoarele cuantice, dar abandonată între timp. O direcţie a spinului nuclear reprezintă bitul 1 şi cealaltă bitul 0. Desigur, nucleul trebuie adus într-o stare de superpoziţie cuantică, în aşa fel încât să fie simultan atât 1 cât şi 0.

Cercetătorii de la SpinQ au ales molecula de dimetil fosfonat, care ia forma unui lichid fără culoare la temperatura camerei. Mai multe molecule sunt captate cu ajutorul unui câmp magnetic iar apoi valoarea spinului este citită sau scrisă cu ajutorul unor pulsuri radio, într-o metodă asemănătoare celei folosite la aparatele medicale cu rezonanţă magnetică nucleară.

Pentru că semnalul de la o moleculă este foarte mic, se folosesc 10^15 molecule care formează împreună câteva picături de lichid, ce stau într-o capsulă aflată în câmpul magnetic. În plus, câmpul magnetic este ajustat în continuu, pentru a asigura uniformitatea sa. Lipsa de nevoie de răcire, modalitatea de scriere şi citire împreună cu numărul de doar 2 qubiţi fac ca în final noul calculator cuantic să fie mai mic şi mai ieftin.

3. Am intrat în era calculatoarelor cuantice personale?

Nu încă. La doar 2 qubiţi, acesta este doar un instrument util în şcoli. În plus, mulţi cercetători nu cred că această tehnologie este bună pentru a construi calculatoare cuantice cu mai mult de căteva zeci de qubiţi (de aceea calculatoarele cuantice mari folosesc tehnologii diferite).

Personal, cred că nu vom avea repede calculatoare cuantice pe biroul nostru. Cu apariţia reţelelor 5G și 6G va deveni posibil ca procesările de date să se facă aproape instantaneu, pe calculatoare cuantice mult mai performante, aflate la distanţe mari. Pe viitor, fiecare telefon mobil ar putea fi cuplat la interfaţa unui calculator cuantic performant, aflat undeva în fermele din zonele unde energia s-ar putea obține mai ieftin.

Simplu spus, pe viitor nu vom cumpăra calculatoare cuantice mai performante, ci vom cumpăra timp la calculatorul cuantic. Acestea vor rămâne în principal unealta cercetătorilor, acolo unde calculul cuantic ar putea aduce progrese mari în înţelegerea interacţiunilor dintre atomi, care sunt, în esenţă, cuantice. Înţelegerea câştigată va duce la progres în fizica materialelor şi la producerea de noi medicamente.

Pentru mai multe detalii și o istorie a calculatoarelor, va invit să urmăriți acest video: